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Oxidische Materialien: ZnOOxidische Materialien: ZnO
Bruno K. Meyer, Thorsten Krämer, Angelika Polity, Changzhong Wang, Yunbin He
I. Physikalisches Institut
Justus-Liebig-Universität Gießen
Rauischholzhausen, 24.06.2005
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Optics:Nano-wire Lasers
Spintronics:ZnO:Mn, ZnO:V
Opto-Electronic:P-type doping
Dietl et al., Science 287 (2000), 1019
V-doped ZnO: Tc ~ 350 K
1997:Minegishi et al,
Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1453
CVD, N – dopingnh ~ 1016cm-3
ZnO: Recent activitiesZnO: Recent activities
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Optics:Nano-wire Lasers
Spintronics:ZnO:Mn, ZnO:V
Opto-Electronic:P-type doping
Dietl et al., Science 287 (2000), 1019
V-doped ZnO: Tc ~ 350 K
1997:Minegishi et al,
Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1453
CVD, N – dopingnh ~ 1016cm-3
ZnO: Recent activitiesZnO: Recent activities
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Architekturglas
Flachbildschirme
Solarzellen
Alternativen zu ZnO:Al ?
Transparent conducting oxides (TCO)Transparent conducting oxides (TCO)
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Anionen-Substitution:
ZnO1-xSx
Yoo, et al., APL 81, 3798 (2002)
PLD : x < 0.14
Ternäre Legierungen:
Zn1-xMgxO
Zn1-xCdxO
Barrierenschichten fürQuantengrabenstrukturen
UV – blockierende Beschichtungen
„solar blind“ Detektoren
Bandlücken, Struktur, etc ?
ZnO und ternäre MischverbindungenZnO und ternäre Mischverbindungen
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
RF-Sputtern mit einem ZnS-Keramiktarget
– Sputterleistung 300 W
– Substrattemperatur ca. 200°C
– Arbeitsgas Argon mit einem Fluß von 5 sccm
– Sauerstoffflüsse von 0 sccm bis 5 sccm
– Arbeitsdruck um 20 mTorr (~2,7 Pa)
– Floatglas und (002)-orientierter Saphir als Substratmaterial
– Schichtdicken von 150 bis 300 nm
Herstellung von ZnO1-x
Sx-SchichtenHerstellung von ZnO
1-xS
x-Schichten
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Alle Schichten über den ganzen Kompo-sitionsbereich kristallisieren in der hexa-gonalen Wurzitstruktur.Sie wachsen c-Achsen orientiert mit der (002)-Ebene parallel zur Substratoberfläche.
Die Lage des (002)-Peaks verschiebt sichmit der Komposition von 28,5° für ZnS nach34,4° für ZnO.
Kristallstrukturbestimmung mit XRDKristallstrukturbestimmung mit XRD
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
0 100 200 300 400 500 600
ZnOSe
ZnOS
ZnO
Mg K
O 1
s
C 1
s
--- Zn LMM ---
S 2
p/S
e 3
pZ
n 3
s
Zn
3p
Zn
3d
Inte
nsi
ty (
a.u
.)
binding energy (eV)
Se
3d
0 100 200 300 400 500 600
ZnOSe
ZnOS
ZnO
Mg K
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s
C 1
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--- Zn LMM ---
S 2
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Zn
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3d
Inte
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a.u
.)
binding energy (eV)
Se
3d
Kompositionsbestimmung mit XPSKompositionsbestimmung mit XPS
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Der c-Gitterparameter interpoliert gemäß Vegards Gesetz linear mit der Komposition zwischen den binären Endpunkten ZnO und ZnS.
Komposition und GitterkonstanteKomposition und Gitterkonstante
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
Abschätzung der Bandlückenenergie
2,5 3,0 3,5 4,0
2 [w
.E.]
Energie [eV]
E=3,21 eV
ZnO-Probe
2,5 3,0 3,5 4,0
2 [w
.E.]
Energie [eV]
E=3,21 eV
ZnO-Probe
300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
Tra
nsm
issi
on
[%
]
Wellenlänge [nm]
300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
Tra
nsm
issi
on
[%
]
Wellenlänge [nm]
Die Transmissionsspektren der ZnOS-Proben zeigen eine Änderung der Band-lückenenergie in Abhängigkeit von der Zusammensetzung
Transmission und AbsorptionTransmission und Absorption
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
ZnO
ZnS
. Die Größe der Bandlücke von ZnO1-x
Sx läßt sich in
Abhängigkeit vom Schwefelgehalt x durch E
ZnOS(x) = x E
ZnS+ (1-x) E
ZnO- b (1-x)x
mit b=3,0 eV beschreiben.
Komposition und BandgapbowingKomposition und Bandgapbowing
Patent DE 10341681 A1
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
1018
1019
La
du
ng
str
äg
erd
ich
te [
cm
-3]
Schwefelanteil x
0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
1
10
Be
we
gli
ch
ke
it [
cm
2/V
s]
Schwefelanteil x
0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
0,1
1
10
ZnO1-x
Sx:Al
ZnO1-x
Sx:H
Sp
ez
ifis
ch
er
Wid
ers
tan
d [
cm
]
Schwefelanteil x
Elektrische EigenschaftenElektrische Eigenschaften
I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
ZnO1-x
Sex
ban
d g
ap
(eV
)
sulfur/selenium content x
ZnO1-x
Sx
Vergleich von ZnOS und ZnOSeVergleich von ZnOS und ZnOSe